连续电热结晶机操作控制的物理化学原理.pdf

第5 3 卷第3 期 2 0 01 年8 月 有色垒属 N o N F E R R O U SM E T A L S V o l5 3 ，N o3 A u g h t 2 00 1 连续电热结晶机操作控制的物理化学原理 丘克强，陈启元 中南大学，长沙4 10 0 8 3 摘要我国连续电热结晶机经过国内外炼锝厂二十多年的应用，克分显示了其可靠性厦先进性。为了探化连续电热结晶 机操作过程的认识，提高其实际应用中的操作水平以及对现有连续电热结晶机的设备结构进行优化，提高设备生产水平．论述连 续电热结晶机操作控制应遵循的物理化学原理。 关键词结晶机；金属；分步结晶精炼 中国分类号T F 8 1 4 ；T F l l 43 4文献标识码A 文章编号1 0 0 I 一0 2 1 1 2 0 0 1 0 3 0 0 0 1 7 0 3 连续电热结晶机是一种先进的精炼设备。它自 1 9 7 5 年研制成功后，不但迅速在国内各炼锡厂推广 应用，而且很快远销到世界上主要的产锡国家【1 】， 其精炼金属的有效性及可靠性受到了国际同行的高 度评价”J 。但是，对这一先进设备的认识，还有待 从多方面深化。例如，尽管连续电热结晶机应用已 有二十多年的历史，但是生产实际中对电热结晶机 的操作与控制至今还是完全凭经验[ 3 。] ，缺少理论 上的认识和指导。因此，明确它的操作控制理论依 据，对优化生产过程，最大限度发挥设备的作用，提 高生产效率，特别是对开拓连续电热结晶机在除锡 以外的其他低熔点有色金属精炼领域的应用，具有 重要的指导意义。下面着重分析其实际操作控制应 遵循的基本原理。 1连续电热结晶机工作条件 一种先进的设备除了要具有好的性能外。还要 满足一定的外部条件，才能在应用中收到好的效果。 对于连续电热结晶机精炼金属，这个外部条件就是 正确操作与控制。然而，正确的操作与控制必须符 合一定的理论要求。 对金属分步结晶精炼的各种设备【6 1 进行深入 研究后发现，我国连续电热结晶机之所以如此成功 是因为它同时满足下面两个条件 1 能够很好地在结晶机槽内的熔体中建立起 与相图相对应的温度梯度和浓度梯度； 收稿日期2 0 0 1 0 4 一I l 作者简介丘克强 1 9 5 6 一 ．男．广东平远人，教授，博士．博士生导 师 2 能够成功地克服固液两相物质在流体动力 学方面的困难，实现两相流动与良好的分离。 两个条件缺一不可，在实际中通过槽内熔体的 温度、螺旋搅拌器转速及结晶机倾斜安装角度来控 制。 2 连续电热结晶机的温度控制 连续电热结晶机分步结晶精炼金属的过程是基 于相变固相 液相 精炼过程主要涉及金属的固、液两种聚集状态。 根据相律，处在热力学平衡状态体系的自由度数，即 描述体系状态所需变量的总数目为 F1 n r 1 式中的n 为独立组分数，r 为处于平衡的相数。从 1 式可知，在常压下，对于单组分单相体系而言，F 1 ，即体系有一个独立可变的因数。对于单组元两 相体系，F 0 ，即体系为无变量体系。对于双组元 单相平衡体系，F 2 ，即体系有二个独立可变的因 数。对于双组元两相平衡体系，F 1 ，即体系只有 一个独立变量，也就是说，在温度和组成两个变量之 间只有一个是可以变动的。如果指定了温度就不能 再指定组成，或者说组成由温度决定而不能任意指 定。反之，如果指定了组成，温度就不能任意指定， 只能由平衡组成指定。金属分步结晶精炼正是处于 这种双组元两相体系。所以，连续电热结晶机槽内 熔体的温度必须严格按照相应的相图来控制。因为 温度确定了，成分就随之而定了。如图1 所示，从结 晶机的槽尾至槽头，熔体温度梯度必须大于零，并且 槽尾熔体温度应控制为r E ，槽头温度应控制为 丁A 。例如，精炼金属s n 除铅时，结晶机槽内熔体 万方数据 1 8有色金属 第5 3 卷 的温度应按照S n ，P b 相图 图2 ，从槽尾的1 8 6 ℃沿 着槽头方向逐渐升高至槽头的2 3 1 ℃。精炼铅除银 时，槽尾熔体温度应按照P b A g 相图 图3 ，控制为 3 0 4 ℃，然后沿着槽头方向逐渐升至3 2 7 ℃。 由于温度与成分存在严格对应的关系，并且温 度的控制比成分的控制更易于实现，在实际中总是 通过对温度的调控来达到对成分的控制。 图1 连续电热结晶机槽内温度控制原理圈 F i g ．1 P r i n c i p l eo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gi n C h i n e s ec o n t i n u o u sc r y s t a l l i z e r 图2P b - S n 二元系的相图 F i g2B i n a r ys v s t 口1 1p h r a s ed i a g r a mo fP b - S n A t o m l cP e r c e n tL e a d ，％ R 尸＼＼ 二 A g W e i g h tP e 唧n t L e a d ／％ r b 图3P b ．A g 二元系的相图 F i g ．3B i n a r ys y s t e mp h r 砧ed i a g r a mo fP b - A g 表1 给出了连续电热结晶机从铅中脱银的两组实验 数据。在其他条件相同时，当槽头温度n 等于或 略高于3 2 7 U 时，得到精炼铅的质量就好。当槽头温 度了、。低于3 2 7 ℃时，精炼铅的质量明显变差。实验 结果与上面分析一致。 表1 其他条件相同时槽头温度对铅除银的影响 T a b l eiE f f e c to fl e m p e r a t u r eo fi [ r o n t c r y s t a l l i e rO D ．A ge l i m i n a t i o n 某厂的连续电热结晶机精炼产品不合格，其中 一个重要的原因就是加热器不能满足连续电热结晶 机槽内熔体温度梯度的要求。用电热连续结晶机精 炼金属时，投料位置的选择也应遵循上述温度控制 的原理，即投料位置的熔体成分应与待处理物料的 成分一致或者接近，这一原则与化工精馏过程相同。 3 连续电热结晶机中的固液分离 创造了固液两相对流运动与分离的条件，并且 分离的效果可以通过调节螺旋搅拌器转速及连续电 热结晶机倾斜安装角度来改变，是电热连续结晶机 成功之处。连续电热结晶机的成功，令世界上曾经 出现的多种连续电热结晶精炼设备“’相形失色。 表2 数据表昵，当结晶机槽头温度相同时，其倾 斜安装角度和螺旋搅拌器转速对精炼铅的效果影响 很大。在一定范围内，当螺旋搅拌器转速不变时，结 晶机槽体倾斜安装的角度增大有利于精炼。同样， 当槽体倾斜安装角度不变时，加快螺旋器的转速，也 能提高精炼效率。 表2 槽头温度相同时。结晶机安装倾角 和螺旋搅拌器转速对铅除银的影响 T a b l e2E f f e c to fi n e l ／n a t i o no fc r y s t a l l i z e ra n dr o t a t cs p e e d o fa g i t a t o r 。nA ge l i m i n a t i o n 连续电热结晶机精炼金属过程中，两相并未完 全达到平衡，正如金属分步结晶精炼的原理[ 7 1 所指 出的那样，其精炼金属的效果应该用“有效分配系 咖卿鲫珈彻葶|㈣|||脚啪 p 、叫q 襄 万方数据 第3 期丘克强等连续电热结晶机操作控制的物理化学原理1 9 数”取代平衡分配系数来评价。有效分配系数为 ko 1 2 式中 ，一有效分配系数；kn 一平衡分配系数；v 凝固速度，c m s ～；D 一杂质在液相中的扩散系数， c m 2 S ；d 一浓度界面层的厚度，c m 。 平衡分配系数是温度的函数，不随其他实验条 件改变。三个因素影响有效分配系数，凝固速度 v ，扩散系数D 和浓度界面层厚度d 。图4 给出了k 。 1 时有效分配系数k ，与v 谤／D 之间的关系。 兰i 灿 _ _ 一 0 0／‘ 歹多／ ／。／ ／ ／／／ ／ ／ 少 ／／ ／ 夕 ／ 0【j 8』z } V 6 1 D 图4 k n 1 时有效分配系数 与 V S ／D 之间的关系【8 】 F i g4R e l a t i o n s h i po fe f f e c t i v ed i s t r i b u t i o n c o e f f i c i e n tw i t h W ／D1 从图4 可以看出，当 V 3 ／D 0 时，k 。 o ； 而当 V 3 ／D 一。。，k 。 1 。即，有效分配系数k 。界 于 o 和l 之间，即 D k 。 。T i a 珊i nU 删H } 舛，；v i a Ⅳi n3 0 0 0 7 2 。C h i n a ； 2D e p a r t m e n to ／P r o d u c t i o n 8T e c h n o l o g y ．S h a n d o n g A l u m i n u mC o r p o r a t i o n ，Z i b o2 5 5 0 5 2 ．S h a n d o n g ，C h i n a A B S T R A C T T h el i q u i d s o l i df l u i d i z e db e dp r e h e a t i n gd e s i l i c o n i z a t i o nf o ra l u m i n ap r o d u c t i o ni s i n v e s t i g a t e d ．T h ep a r t i c u ， 1 a ri n e r ts o l i dp a r t i c l e sa r ei n t r o d u c e di n t ot h eh e a te x c h a n g e r sr of o r m1 i q u i d s o l i df l u i d i z e db e d ．t h ef o u l i n gi s p r e v e n t e df r o md e p o s i t i o no nt h ed i a t h e r m a ls u r f a c e ．T h eh e a te x c h a n g i n gi si n t e n s i f i e d ，a n dt h et o t a lh e a tt r a i l s f e rc o e f f i c i e n ti sp r o m o t e df r o mc o n v e n t i o n a l8 4 4 ．3 W ／ m 2 ℃ t o1 8 8 5 ．2 ～2 3 4 5 ．3 W ／ m 2 ℃ ．T h et e m p e r a l u r e o fs o l u t i o nr i s e st o1 4 1 ．0 4 ～1 4 2 ．0 4 Vb yf l a s hv a p o r i z a t i o n ，t h eq u a n t i t yo fv a p o rf o rh e a t i n gf a l l s1 ．5 t i m e s ．T h ea p p l i c a t i o no fl i q u i d s o l i df l u i d l z e db e dt e c h n i q u e st od e s i l i c o n i z a f i o np r e h e a t i n ge x c h a n g e r si sf e a s i b l e a n dw i t hc o n s i d e r a b l eo fb e n e f i t ． K E YW O R D S d e s i l i c o n i z a t i o n ；h e a te x c h a n g e r ；f o u l i n g ；f l u i d i z e db e d 上接第1 9 页C o n t i n u e df r o mP1 9 P H Y S I C O C H E M I C A LP R I N C I P L E S0 FC O N T R O L L I N G C H I N E S EC O N T I N U O U SC R Y S T A L L I Z E R o f UK e q l u n a C e n t r a lS o u t hU n i w r s i t y C H E NQ i y u a n C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ．C h i n a A B S T R A C T I no r d e rt od e e p e nt h eu n d e r s t a n d i n go ft h ec o n t r o lm e t h o do fC h i n e s ec o n t i n u o u sc r y s t a l l i s a t o r ，p h y s i c o c h e m i c a lp r i n c i p l e so f c o n t r o l l i n gC h i n e s ec o n t i n u o u sc r y s t a l l i z e r a r e s y s t e m a t i c a l l yg i v e n i nt h i s p a p e r ．T h e r m o d y n a m i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r ec o n t r o lm u s ta g r e ew i t ht h e l a w so ft h ep h a s ed i a g r a m ，a n dt h e o r yf o rt h ee f f e c t i v ed i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n ts h o u l db ec o n s i d e r e da st h ei n c l i n e d a n g l e ，a n dt h er o t a t i o n a ls p e e do ft h es p i r a la g i t a t o ra r er e g u l a t e da n ds e l e c t e d ． K E YW O R D S m e t a l ；r e f i n i n g ；c r y s t a l l i z e r ；f r a c t i o n a lc r y s t a l l i z a t i o n 万方数据